建筑钢结构制作工艺学

第 3 章施工详图设计3.1钢结构设计阶段划分及相互关系二十世纪五十年代我国钢结构设计制图沿用前苏联的编制方法分为KM图和 KM图两个阶段，即钢结构设计图和钢结构施工详图两个阶段，但在以后的一段时间中，各行业各系统各单位采用的编制方法有所不同，并且随着钢结构的快速发展和工程的日益大型化、复杂化，国内各设计单位的钢结构设计能力参差不齐，设计图内容不够统一、不够规范。因此为了规范设计图纸，根据国际惯例、我国实际情况和钢结构特点，需要对钢结构的设计阶段进行划分，并对钢结构每个阶段的设计内容和图纸要求进行明确。钢结构设计阶段划分欧美、日本等国钢结构工程的设计普遍采用设计图与工厂详图(shopdrawing) 两个阶段出图的做法。我国1983 年颁布的钢结构施工验收规范(GBJ205-83) 明确对钢结构施工设计的两个阶段做法予以肯定，并分别定义为设计图和施工详图。2003 年出版的钢结构设计制图深度和表示方法03G102 标准图集则进一步明确了设计图和施工详图两个阶段的划分，并详细规定了设计图和施工详图中应包含的内容，明确了钢结构施工详图编制必须以设计图为依据，构件的加工、制作和安装必须以施工详图为依据。钢结构设计图由具有相应设计资质的设计单位设计完成，钢结构施工详图由具有相应设计能力的钢结构加工制造企业或委托专业设计单位完成。根据钢结构工程不同的特点及复杂程度，有时把施工详图进一步划分为深化设计图和加工图 ( 也称翻样图 ) ，深化设计图以设计图为依据，加工图以深化设计图为依据，并直接作为工厂加工的依据。由于施工详图的编制工作较为琐细、费工( 其图纸量约为设计图图纸量的2.5 10 倍 ) ，也需要一定的设计周期，故建设及承包单位都应了解这一钢结构工程特有的设计分工特点，在编制施工计划中予以考虑。同时作为一项基本功，钢结构加工厂的设计人员也应对施工详图设计有深入的了解和掌握。施工详图与设计图的关系设计图由设计单位编制完成，施工详图以设计图为依据，由钢结构制造厂家(或钢结构安装单位 )编制完成，并直接作为加工和安装的依据。二者的区别见表3.1-1所示。表 3.1-1设计图与施工详图的区别设 计 图施工 详图1.根据工艺、建筑要求及初步设计等，并经施1.直接根据设计图编制的工厂加工及安装详图工设计方案与计算等工作而编制的较高阶段施工设(含连接、构造等计算 )；计图；2.目的为直接供制造、加工及安装的施工用图；2.目的、深度及内容均仅为编制详图提供依据；3.由设计单位编制；3.一般由制造厂家或安装单位编制；4.图纸表示详细，数量多，内容包括：施工详4.图纸表示较简明，图纸量较少；其内容一般图总说明、结构和构件布置图、构件 (包括节点 )加包括：设计总说明及结构布置图，剖、立面图，构工详图、零件加工图、安装图和材料清单等。件截面图，典型节点图，钢材材料表等。71施工详图主要内容施工详图内容包括两部分：对构造进行设计，进行施工详图绘制。1. 构造设计内容钢结构设计图在深度上一般只绘出构件布置、构件截面与内力及主要节点构造，故在详图设计中尚需进行构造设计与连接计算，一般包括以下内容：(1) 构造设计 焊缝连接设计。如焊缝计算、焊接构造、拼接位置、坡口要求、焊脚尺寸、焊缝检验要求等。 螺栓连接设计。如螺栓计算、螺栓构造与布置、螺栓尺寸、施工要求等。 节点板及加劲肋设计。如桁架节点板、支撑节点板、横隔板、端板、缀板、填板、连接板、耳板、檩托板等设计。 支座设计。如滚轴支座、橡胶支座、销轴支座、轴承支座等设计。 铸钢节点 ( 含铸钢支座 ) 设计。 桁架或大跨实腹钢梁起拱构造与设计。 桁架、大跨实腹钢梁、高层/ 超高层钢结构钢柱等分段构造设计。 其他设计。如吊装耳板、定位夹板、人孔、手孔、切槽、抗剪键等设计。(2) 构造及连接计算 节点力学计算分析。节点板计算、铸钢节点有限元分析、支座节点分析计算等。 焊缝计算。如焊缝长度计算、角焊缝焊脚尺寸计算等。 螺栓计算。如螺栓数量计算、螺栓尺寸计算等。 各种尺寸计算。如加工余量计算、变形量计算、起拱计算、构件几何尺寸计算、相贯线计算等。2、施工详图绘制内容应按结构类别和形式绘制图纸目录、施工详图总说明、结构和构件布置图、构件( 包括节点 ) 加工详图、零件加工图、安装图和材料清单等。3.2 主要构造设计与计算施工详图中的构造设计，应按设计图所给出的典型节点图或连接条件，并按设计规范的要求进行设计。设计计算模型建立对于大型复杂的钢结构，仅仅依靠平面图无法全面反映各构件的相对位置关系和自身的构造关系，因此进行施工详图设计时，必须首先根据设计图纸或设计单位提供的单线模型( 即计算模型 ) 建立结构的空间实体模型 ( 即三维实体模型 ) 。三维实体模型一方面供构件设计计算使用，另一方面供绘制构件详图使用，并能清楚观察节点连接处的相互关系，避免杆件相互碰撞情况的发生。三维实体模型可用AutoCAD、 Xsteel以及一些专门软件进行绘制。材料采购清单编制材料采购需要一定的时间周期，在编制施工详图时，常常先编制材料采购清单，及时进行材料采购，以保证施工详图设计完成后即可进行构件加工。72材料采购清单需注明待采购材料的材质、尺寸、规格、型号、数量、重量、加工方法和其他技术要求以及厚钢板 Z 向性能要求、产地要求等。材料采购清单中还应考虑材料损耗率 ( 包括复检抽样需要的材料 ) 和其他特殊要求。典型节点构造设计与计算节点起着连接构件、保证构件间可靠传力的重要作用，其构造要求应传力直接，外形合理，不应或尽量少产生附加偏心或焊接应力。设计完成后一般以不小于1:5 的比例进行绘图。钢结构常见的节点类型有：螺栓球节点、焊接空心球节点、铸钢节点、钢管相贯节点、销轴式节点、板节点等。1. 螺栓球节点螺栓球节点由高强度螺栓、螺栓球、紧固螺钉、套筒和锥头或封板等零件组成，适用于连接网架和双层网壳的钢管杆件，见图3.2-1。| 1?bDb|dd1| ?db1图 3.2-1螺栓球节点图3.2-2螺栓球与直径有关的尺寸(1) 螺栓球直径的计算螺栓球直径 ( 见图 3.2-2) 应根据相邻螺栓在球体内不相碰并满足套筒接触面的要求分别按下列公式进行计算，并按计算结果中的较大者选用。d sbd1bctg22(3.2-1)D2 d1bd1bsind sbb2(3.2-2)Dd1 ctgsinbd1式中 D 螺栓球直径 (mm)；两相邻螺孔之间的最小夹角(弧度)；d1b 两相邻螺孔的较大直径(mm)；dsb 两相邻螺孔的较小直径(mm)； 螺栓拧入螺栓球长度与高强度螺栓直径的比值，可取为1.1 ；套筒外接圆直径与高强度螺栓直径的比值，可取为1. 8。当相邻杆件夹角 较小时，还应根据相邻杆件及相关封板、锥头、套筒等零部件不相碰的要求核算螺栓球直径。此时，可通过检查可能相碰点至球心的连线与相邻杆件轴线间的夹角之和不大于 的条件进行核算。73(2) 高强度螺栓的确定受拉杆件的高强度螺栓直径由计算软件按等强度原则配置。受压杆件的高强度螺栓直径，按其设计内力绝对值求得高强度螺栓直径计算值后，按表3.2-1 的螺栓直径系列减小1 3个级差选用，但必须保证套筒任何截面都具有足够的抗压强度。表 3.2-1常用螺栓在螺纹处的有效截面面积Aeff 及承载力设计值 N tb性能等级10.9S螺纹规格 dM12M14M16M18M20M22M24M27M30M33M36螺距1.75222.52.52.5333.53.54p(mm)Aeff84.3115157192245303353459561694817(mm2)t36.249.567.582.7105130.5151.5197.5241.0298351N b (kN)性能等级9.8S螺纹规格 dM39M42M45M48M52M564M604M644螺距44.54.555444p(mm)Aeff (mm2)9671121130614731758214424852851N bt(kN)375.6431.5502.8567.1676.7825.4956.61097.6注：螺栓在螺纹处的有效截面面积Aeffd 0.9382p 24 。(3) 套筒设计套筒 ( 六角形无纹螺母) 外形尺寸必须符合搬手开口系列，端部要求平整，内孔径比螺栓直径大 1mm。套筒应根据相应杆件的最大轴向承载力按压杆进行计算，并验算其端部有效截面的局部承压力。对开设滑槽的套筒还需验算套筒端部到滑槽端部的距离，使该处有效截面的抗剪力不低于紧固螺钉的抗剪力，并且不小于1.5 倍滑槽宽度。套筒长度 ls 和螺栓长度 l 按下列公式计算 (见图 3.2-3)。（ a） 拧入前（b） 拧入后图 3.2-3套筒长度及螺栓长度lsmBn(3.2-3)ldlsh(3.2-4)式中B 滑稽长度， Bd K ；d 螺栓伸入螺栓球的长度，d 为螺栓直径，一般取 1:1 ；74m 滑槽端部紧固螺钉中心到套筒端部的距离。图中 n 滑槽顶部紧固螺钉中心至套筒顶部的距离；K 螺栓露出套筒距离，预留45mm，但不少于2 个丝扣；h 锥头端部厚度或封板厚度；t 螺纹根部到滑槽附加余量，取2 个丝扣；x 螺纹收尾长度；e 紧固螺钉的半径；滑槽预留量，一般取4mm。(4) 锥头或封板设计杆件端部采用锥头(图 3.2-4a)或封板连接 (图 3.2-4b)，其连接焊缝以及锥头的任何截面必须与连接的钢管等强。封板厚度和锥头底板厚度应按实际受力大小计算确定，封板厚度一般不小于钢管外径的1/5，锥头底板厚度一般不小于锥头底部内径的1/4。15?30?15? ?30? 30 ?30?a(b)图 3.2-4杆件端部连接焊缝锥头底板外径必须比套筒外接圆直径或高强度螺栓尾部直径大1 5mm，锥头底板孔径和封板孔径一般比高强度螺栓直径大1mm。锥头斜度一般取30 40。(5) 紧固螺钉设计紧固螺钉应采用高强度钢材( 如 40Cr) ，直径取高强度螺栓直径的0.16 0.18 倍，并且不小于 3mm。紧固螺钉直径一般为M5M10。2.焊接空心球节点(1)焊接空心球类型焊接空心球分不加肋空心球和加肋空心球两种，分别见图3.2-5 和图 3.2- 6 所示。注：30 、45图 3.2-5b0.4 t 2，且不小于 4mm。不加肋空心球图 3.2-6加肋空心球(2) 焊接空心球承载力计算75当焊接空心球直径为120900mm时，其受压和受拉承载力设计值N R N 可按下式计算：N R0 0.290.54 dtdf(3.2-5)D式中D 焊接空心球外径 (mm)；d 与焊接空心球相连的主钢管杆件外径(mm)；t 焊接空心球壁厚 (mm)；f 钢材的抗拉强度设计值 (N/mm2) ；0 大直径焊接空心球节点承载力调整系数。当焊接空心球直径500mm 时，0 =1.0；当焊接空心球直径500mm 时，0 =0.9。对加肋焊接空心球，当轴力方向和加肋方向一致时，其承载力可乘以承载力提高系数d ，受压时取d =1.4，受拉时取d =1.1 。2| 球体D min图 3.2-7焊接空心球相邻杆件示意(3) 焊接空心球最小直径的规定在确定焊接空心球的外径时，球面上相邻杆件间的净距一般不小于10mm(见图 3.2-7) 。为了保证净距，空心球的最小直径按下式计算：Dmin12a d 2(3.2-6)d式中d1、d2 组成 角的杆件外径 (mm)；a 两相邻杆件间的净距(mm)，一般 a 10mm；两相邻杆件轴线间的夹角(弧度)。3. 铸钢节点(1) 常用铸钢节点形式常用的铸钢节点形式有：铸钢相贯节点、铸钢空心球节点、铸钢板式节点、铸钢销轴节点、铸钢支座节点、铸钢组合节点和其他类型的铸钢节点。铸钢节点与钢结构构件的连接方式可采用焊接连接、螺纹连接和销轴连接。(2) 铸钢节点设计的一般规定 铸钢节点的壁厚在满足强度要求的条件下可按表3.2-2给出的数值选用，最小壁厚应满足表 3.2-3的规定。76 铸钢节点设计应避免壁厚急剧变化，铸钢节点的壁厚变化斜率一般小于1/5 。 铸钢节点内部薄壁部位( 如筋板、加劲肋) 的壁厚一般应小于外部薄壁部位的壁厚。 铸钢节点的内圆角按表3.2-4 设计，外圆角按表3.2-5设计。 铸钢节点构造应力求简单，便于制模、清砂、合箱、造型和制芯。铸钢节点的设计一般先采用专用绘图软件建立三维实体模型，然后采用ANSYS等软件进行有限元分析，并结合铸造工艺经优化后获得。表 3.2-2铸钢节点的合理铸造壁厚铸钢节点最大轮廓尺寸铸钢节点次大轮廓尺寸350351 7007011500150135001500152020 25253015013500202525 303035354035015500253030 35354040455501700035 4040454550注：形状复杂的铸件及流动性较差的钢种，其合理壁厚应适当增加。表 3.2-3铸钢节点的最小铸造壁厚铸钢节点最8mm时，钢板应作剖口加工。 焊缝质量等级检验标准按现行国家标准钢结构工程施工质量验收规范GB50205的规定。(2) 角焊缝的强度计算公式见表 3.2-8。表 3.2-8角焊缝连接的强度计算公式序接头形式及受力状态公式说明号fw端焊缝应力ff外力垂直于焊缝长度方向fN1hfe1hfe2L ww端焊缝承载力f f角焊缝强度设计值单正面角焊缝强度增大Nwhfe2LwwNf向hfe1f f f系数，1.22 ；轴侧焊缝应力f外力平行于焊缝长度方向Lhfe1 、 hfe2 角焊缝 1、2向fewh力N wf的有效厚度，角焊缝有效厚度 hfe =0.7 hf2侧焊缝承载力N whfeLw f fwN87角钢连接单向3 轴向力H 型钢梁柱连接角钢肢背、肢尖所需焊缝长度Lw1 、Lw2 应满足：K1NLw1w0.7hfe1 f fK1NLw2w0.7hfe2 f f1 点应力MwM1Ww1f f f续表K1 角钢背棱的分配系数；K2 角钢肢尖的分配系数；(1) 等边角钢：K10.7, K 20.3(2) 不等边角钢：当短肢连接时K10.75,K20.25；当长肢连接时K10.65,K20.35当为单角钢单面连接时，应考虑强度折减系数0.85弯2 点应力剪22共M 2f 2v4同f作用M wVf fW牛腿连接1 点应力wM1f f f弯2 点应力剪22共M 25f 2v同作f用2 2FFe wf fWAwwf w2注：1)计( 验) 算焊缝强度时，每道角焊缝长度均应减去 10mm(起灭弧处无效长度 ) 。2)计算焊缝强度时，焊缝截面及抵抗矩均应按焊缝有效厚度hfe 计算，等边直角焊缝的有效厚度均取为焊脚厚度的0.7 倍，即 e0.7h f 。h(3) 焊接连接构造应满足下列要求：焊缝的布置应尽量对称于构件或节点板截面中和轴，避免连接偏心传力。为方便焊接操作，尽量选用平焊或横焊的焊接位置，并有合理的施焊空间。焊缝长度和焊脚尺寸由计算确定，不要随意增大、增厚。尽量采用刚性较小的接头形式，避免焊缝密集的小面积围焊或三向焊缝相交，以减少焊接应力和应力集中。选用的焊接材料应与主体金属相匹配。当焊接两种不同的钢材时，应采用与低强度钢材相适宜的焊接材料。在采用对接焊缝的板材拼接中，其纵横两方向的对接焊缝一般采用十字型交叉布置，也可采用 T 型交叉布置，交叉点的间距不得小于200mm。当板件采用搭接接头时，其沿受力方向的搭接长度一般不小于5t(t为较薄焊件的厚度 ) 且不小于 25mm。 角焊缝的最小焊缝尺寸不能小于1.5 t ，角焊缝的最大焊脚尺寸一般不大于焊件厚88度 t ，当有必要加大时一般不大于较薄焊件厚度的1.2 倍。侧面角焊缝或正面角焊缝的最小有效计算长度为8 hf 或 40mm，设计时应尽量避免采用短而厚的焊缝段。侧面角焊缝的最大有效计算长度，一般不大于60 hf ( 对承受静力荷载或间接承受动力荷载的连接 ) 及 40 hf ( 对承受动力荷载的连接) ，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不考虑。2. 螺栓连接螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接，高强度螺栓连接又分为承压型连接与摩擦型连接。高强度螺栓连接要求连接板进行摩擦面处理并对螺栓施加预拉力；高强度螺栓产品有扭剪型 (GB3632) 和大六角 (GB1228)两种，其施工应满足钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程(JGJ82) 的要求。(1)普通螺栓 (C 级螺栓 ) 的强度计算公式见表3.2-9 。表 3.2-9普通螺栓连接的计算公式承受轴心力时所需螺连接种类一个螺栓的